斜拉桁架橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀

□秦建榮 □陳致斌 □張 磊

(1新鄉(xiāng)市水利科技推廣中心；2太原科技大學(xué))

1 引言

縱觀歷史的潮流，在人類文明的發(fā)展史中，橋梁的建設(shè)已經(jīng)占據(jù)十分重要的篇章，追述歷史，大河流域起源的古文明，地方自然地理?xiàng)l件都比較優(yōu)越，在此基礎(chǔ)上人類也發(fā)展科學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造出偉大的古老文明。有了大河流域，就有了古文明，自然而然橋梁在大河流域所創(chuàng)造的古老文明中有著舉足輕重的地位。橋梁是人類文明的產(chǎn)物，而中國(guó)古代橋梁的輝煌成就在世界橋梁歷史上也絢麗多姿，趙構(gòu)橋，盧溝橋，廣濟(jì)橋，蓮花橋等等都體現(xiàn)了人類社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展。

進(jìn)入信息化時(shí)代以來(lái)，橋梁作為土建領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)含量最高，技術(shù)要求復(fù)雜的項(xiàng)目。在這個(gè)交通信息時(shí)代需要的背景下應(yīng)該有什么樣的新的發(fā)展；在世界經(jīng)濟(jì)與社會(huì)大發(fā)展所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益與科學(xué)技術(shù)的完美結(jié)合下，又會(huì)有什么提高？所以橋梁的建設(shè)發(fā)展在逐漸日新月異這又對(duì)于一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展程度也通過(guò)橋梁得到了側(cè)面的反映?？v觀現(xiàn)代橋梁的發(fā)展趨勢(shì)，不難發(fā)現(xiàn)橋梁正在朝著輕型化與大跨度的方向發(fā)展。在這樣的發(fā)展背景、發(fā)展觀念之下，新興橋型——斜拉桁架橋應(yīng)用而生。斜拉式桁架橋既有斜拉橋的特征又具有桁架的優(yōu)勢(shì)，所以目前來(lái)說(shuō)桁架橋和斜拉橋都是具有跨度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等對(duì)于橋梁來(lái)說(shuō)重要的特點(diǎn)。斜拉橋作為我國(guó)較為流行的大跨徑橋梁橋型之一。作為一種拉索體系的橋梁，比一直在使用的梁式橋的跨越能力更大，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，但其因?yàn)槎嘁驗(yàn)槭撬叫崩?，屬于多次超靜定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和計(jì)算十分復(fù)雜，所以施工特別復(fù)雜困難。而桁架橋因?yàn)槠滂旒苡蓷U件組成，整體主要是受彎矩為主，而桁架桿件只承受軸向力，沒(méi)有多余的贅余力，其自重較輕，適合于軟土地基條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，受力明確，施工也簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜。所以桁架橋也是一種十分優(yōu)秀的大跨度橋梁橋型。但是桁架橋結(jié)構(gòu)雖簡(jiǎn)單卻較為復(fù)雜，計(jì)算十分不便，且是施工較為繁瑣。為了克服在構(gòu)造上的弱點(diǎn)，由以上兩種橋梁的思路為出發(fā)點(diǎn)，斜拉式桁架橋應(yīng)運(yùn)而生。綜合了兩種橋梁的特點(diǎn)，斜拉式桁架橋具有十分顯著的優(yōu)勢(shì)，而其所展現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)也和力學(xué)特征比較吻合，塔式斜拉和桁架的組合得到了充分的應(yīng)用。這也說(shuō)明橋梁在隨著人們對(duì)知識(shí)的探索和發(fā)展的過(guò)程中得到了大跨越的進(jìn)步。

2 斜拉桁架橋的受力特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

2.1 斜拉桁架橋的受力分析與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由桁架橋和塔式斜拉橋這兩種橋梁的思路為出發(fā)點(diǎn)，綜合了兩種橋梁的特點(diǎn)，所以斜拉式桁架橋具有十分顯著的優(yōu)勢(shì)。而其所展現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)也和力學(xué)特征比較吻合，從而塔式斜拉和桁架的組合得到了充分的應(yīng)用，所以斜拉桁架橋不同于普通桁架橋的受力特點(diǎn)。但其組成相同，即腹桿、橋塔、下弦桿、上弦桿、橫梁等，其中上弦桿承受拉應(yīng)力,下弦桿除了承受壓應(yīng)力,還承受一定的類似于多跨連續(xù)梁的彎矩。因?yàn)槭芰l件的不同，斜拉式桁架的腹桿分為拉壓腹桿兩種。

斜拉桁架橋具有斜拉橋與桁架橋基本的“斜拉”與“桁架”特點(diǎn)其受力特征也是在結(jié)合這兩種橋型的受力特點(diǎn)基礎(chǔ)之上的經(jīng)一步優(yōu)化。首先，“斜拉”的特點(diǎn)主要通過(guò)橋梁的斜纜受力來(lái)體現(xiàn)，即斜纜在塔頂鉸點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)向下的合力；而在下弦桿處產(chǎn)生一個(gè)使下弦桿受壓的水平分力和平衡弦桿自重與活載內(nèi)力的豎直分力。其次，桁架橋中的上下弦桿分別以承受拉壓應(yīng)力為主。而在斜拉桁架橋中弦桿、腹板之間的受力，主要以軸力為主，而彎矩影響較小一般可忽略不計(jì)。對(duì)于斜腹板，指向塔根方向的受壓，指向塔頂方向的受拉，起著加勁作用，對(duì)梁體有著進(jìn)一步的約束限制，使整個(gè)梁體的彎矩盡量減少。這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)由剛度較小的局部桿件也就是桁架來(lái)組裝使結(jié)構(gòu)整體受力合理(受力以軸力為主)，這樣所有的桁架成剛度較大的一種結(jié)構(gòu)整體。使桁架整體剛度增大，這也使斜拉桁架橋中“桁架”的特點(diǎn)得到了充分體現(xiàn)。

2.2 斜拉桁架橋相比其它橋型的優(yōu)點(diǎn)

眾所周知，斜拉橋具有跨度大（跨越能力僅次于懸索橋）、結(jié)構(gòu)剛度大、用料省、造價(jià)低廉、外形符合橋梁美學(xué)要求美觀大氣等優(yōu)點(diǎn)；對(duì)于桁架橋一般都是鋼結(jié)構(gòu)的桿件，桿件之間為鉸接，受力合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，造型輕巧整體性強(qiáng)，剛度大，材料用量低等優(yōu)點(diǎn)；綜合了斜拉橋與桁架橋的優(yōu)點(diǎn)并且在技術(shù)上有了新的突破，例如在設(shè)計(jì)施工中用桁桿取代斜拉索．這樣的設(shè)計(jì)使得預(yù)應(yīng)力索外有混凝土包裹．從而保護(hù)了預(yù)應(yīng)力筋．從根本上消除了斜拉橋的斜拉索的防腐問(wèn)題；采用下承式建造特點(diǎn)，降低橋面結(jié)構(gòu)高度，增大橋梁通航凈空；而且其具有的受力特點(diǎn)對(duì)于斜拉索的疲勞問(wèn)題也得到了改善。

總體來(lái)看，斜拉桁架橋自身重量輕巧，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，承受載荷較大，橋跨輕盈流暢，具有韻律感與視覺(jué)沖擊感。因此，相比于其他橋型，斜拉桁架橋這種新型橋梁結(jié)構(gòu)，有著一定的優(yōu)勢(shì)，是值得大力推廣發(fā)展的一種橋型。

3 斜拉桁架橋在國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀

3.1 斜拉桁架橋在國(guó)外的發(fā)展與現(xiàn)狀

斜拉式桁架橋是一種新興的橋型，在橋梁朝著輕型化大跨度的方向發(fā)展，所以它的歷史不長(zhǎng)，而具資料可查，在國(guó)外還沒(méi)有斜拉式桁架橋的建造與設(shè)計(jì)。國(guó)外同類橋型——斜拉板橋最早在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)，這種橋型的獨(dú)特之處是用混凝土把斜拉索包裹起來(lái)，從而形成一個(gè)由混凝土鑄成的斜板，由于外圍有混凝土的包裹，所以這樣包裹的斜拉索就不會(huì)因?yàn)楦g問(wèn)題而造成橋梁的損耗，也不會(huì)因?yàn)橛衫鞔柜Y度引起的非彈性變形，同樣也在一定范圍內(nèi)增強(qiáng)了其抗風(fēng)振隔振的能力。這樣的設(shè)計(jì)，拉鎖本身的拉力也沒(méi)有斜拉式橋梁的拉力大，不但克服了拉索本身的振動(dòng)問(wèn)題而且補(bǔ)充修復(fù)了橋梁的風(fēng)振隔振的問(wèn)題。所以在國(guó)外，大多數(shù)是屬于斜拉板橋的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)和斜拉式桁架的設(shè)計(jì)理念基本相似，但其只能算是斜拉式桁架橋的雛形與基礎(chǔ)。在20世紀(jì)70年代，德國(guó)，瑞士，日本都開(kāi)始了斜拉板橋的設(shè)計(jì)與構(gòu)思。例如瑞士瓦萊州的Ganter橋在當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)跨越Ganfer峽谷，在日本神戶北線上的奧山橋以及名取川的鐵路橋都是這類用混凝土包裹的的斜拉板橋。這類橋梁在當(dāng)時(shí)的國(guó)外是一種新型的橋梁，斜拉板橋得到了廣泛的應(yīng)用。但其也只是因?yàn)樵O(shè)計(jì)理念和斜拉式桁架橋比較相似，而斜拉式桁架在國(guó)外仍沒(méi)有建造和使用的記載。

3.2 我國(guó)國(guó)內(nèi)斜拉式桁架橋的發(fā)展與現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)我國(guó)建成的首座斜拉式桁架橋是山東濟(jì)南洛口黃河大橋，其全長(zhǎng)2023m，主孔跨徑220m。這座斜拉式桁架橋在1986年由浙江長(zhǎng)興縣和同濟(jì)大學(xué)、浙江省交通廳設(shè)計(jì)院等單位聯(lián)合組成的設(shè)計(jì)小組設(shè)計(jì)建成的港口大橋，它是我國(guó)近期最早建造的下承式預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉式桁架橋，港口大橋全長(zhǎng)137.78m，是單懸臂加掛梁的斜拉桁架體系橋梁，邊跨計(jì)算跨徑為28m，鉆孔樁明挖基礎(chǔ)，下部結(jié)構(gòu)雙柱式墩，這也就拉開(kāi)了我國(guó)斜拉式桁架橋的發(fā)展序幕。隨之我國(guó)主持修建了多個(gè)斜拉桁架橋如湖北省的鹽水河大橋，河南省周口市的沈丘大橋，江蘇省無(wú)錫市的新安南橋、向化一號(hào)橋、煤石橋等都是國(guó)內(nèi)已建造的斜拉式桁架橋。隨著我國(guó)國(guó)力的建設(shè)與發(fā)展，斜拉式桁架橋也得到了一定的發(fā)展，該類橋梁自建成營(yíng)運(yùn)以來(lái)，憑借其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與受力特點(diǎn)，充分發(fā)揮其優(yōu)良性能，并且平穩(wěn)運(yùn)行，維修次數(shù)少。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉式桁架橋是一種新興的橋型，是近幾年來(lái)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁向著大跨度，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的方向發(fā)展的重要體現(xiàn)。他充分利用材料，自身輕，結(jié)構(gòu)承載力穩(wěn)定，跨越能力強(qiáng)，并且外表美觀，經(jīng)濟(jì)適用。而伴隨著十八屆五中全會(huì)吹響了奪取全面建成小康社會(huì)偉大勝利的沖鋒號(hào)角，當(dāng)今的橋梁建設(shè)也是一路高歌，突飛猛進(jìn)。尤其是新興橋梁的建設(shè)，更是與時(shí)代相結(jié)合，大跨度的輕便型橋梁更是符合我國(guó)當(dāng)下追求創(chuàng)新的一個(gè)結(jié)合點(diǎn)，創(chuàng)新在發(fā)展新理念中居于首位。而我國(guó)的斜拉式桁架橋的設(shè)計(jì)理念與建設(shè)更是走在了世界的前列，這從側(cè)面也充分反映了一個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)，科學(xué)技術(shù)得到了重大的發(fā)展。所以新的時(shí)期，我們要將創(chuàng)新與發(fā)展進(jìn)行到底，在當(dāng)今的大環(huán)境下，斜拉式桁架橋?qū)?huì)得到更為廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。

[1]《斜拉桁架橋安裝過(guò)程中桿件應(yīng)力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析》[D]長(zhǎng)安大學(xué)2006任翔.

[2]《斜拉桁架橋關(guān)鍵技術(shù)研究》[D]華中科技大學(xué)2009黎述亮.

[3]《組合結(jié)構(gòu)橋梁》[M]人民交通出版社2005劉玉擎.

[4]《預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)研究》[D]華中科技大學(xué)2006邱峰.

[5]《PC斜拉下承式桁架橋的力學(xué)特性及荷載試驗(yàn)研究》[D]長(zhǎng)安大學(xué)2007唐翔.